关键词： 固体氧化物燃料电池   多场耦合   孔隙尺度   应力失效   分区测试  

摘要： 固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种在600～1000℃高温运行的电化学能量转化装置,具有燃料适应性强,转换效率高,无需贵金属催化剂等优点,在辅助动力,固定电站,热电联产等领域具有广阔的应用前景。然而,耐久性不足和较高的成本严重制约了SOFC的推广应用。SOFC在服役期间是一个封闭的电化学能量转换系统,其内部的活性颗粒、多孔电极、电解质、集流体、连接体等众多组件具有多尺度结构特征。另一方面,SOFC的能量转换过程受到电场、温度场、物质浓度场、速度场、应力场等诸多因素共同调控,在多场交互耦合作用下各组件不可避免地发生机械变形甚至损伤,进而导致电池性能的衰减。本文围绕SOFC局部性能的不均匀分布特性和力学劣化失效机制的科学问题,开展了从孔隙、膜电极、单电池、到电堆多个结构尺度下的SOFC性能分析和操作策略优化研究。 针对多孔电极微结构和输运特性对电池性能影响规律不明确的问题,开发了基于真实多孔电极微观结构的孔隙尺度模型,提出了基于开源格子玻尔兹曼库Palabos的离子/电子/气体输运耦合电化学反应的计算框架,量化了渗透率、孔径、曲折度、三相线长度（TPB）、两相面积（DPB）等结构参数,为后续宏观模型提供了输入。基于模型对单相La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ（LSCF）和复合LSCF/GDC（掺钆氧化铈）阴极进行性能评估,阐明了LSCF和复合LSCF/GDC阴极中分别由DPB电流和TPB电流主导的机制。发现GDC相的引入改善了离子电导率、氧气的表面交换动力学,并提供了更多的TPB反应位点,因此复合LSCF/GDC阴极相较于LSCF阴极更适合在低温低氧环境下工作。 针对多场耦合下SOFC力学失效行为规律不明确的问题,考虑SOFC从密封装配、升温、还原到运行等不同阶段下多个力学效应,基于顺次耦合的应力计算方法,建立了膜电极尺度纽扣电池的电-化-力多场耦合数值模型。发展了环境温度变化、氧化还原反应、阳极孔隙率变化、蠕变的多个效应共同作用下SOFC组件的应力和Weibull失效概率计算方法。研究发现,阴极和密封件最为薄弱,决定了整个电池的失效风险。 为了深入理解大面积电池内部的不均匀特性,提出了单电池局部电流电压、温度和阻抗的测试方法。研制了高温SOFC的分区测试夹具和测试台,分析了氢气氛围下的燃料稀释度和电压对分区电池局部性能的影响规律。将分区测试应用于掺氢天然气直接内重整SOFC研究中,揭示了掺氢浓度和水碳比对电池局部电化学特性和温度分布的影响机理。结合弛豫时间分布、阻抗差异分析和等效电路建模的多种阻抗分析方法解析局部电极过程,发现掺氢显著降低了阳极的气体转换和扩散阻抗,促进了所有分区的电化学反应,从而提高了电池的整体性能。此外,证实了电流密度约300 m A cm-2时电池的热中性状态,与文献的理论计算值吻合。 为了更好地指导工程应用,发展了碳氢燃料全尺寸SOFC电堆的电-化-力耦合模型。通过尺度升级和分区实验数据校准提高了模型的可靠性。揭示了堆叠片数和操作参数对电堆反应特性、输出功率、应力应变分布和失效概率的影响规律。发现20～30%的掺氢浓度,较低的1～2的水碳比和4～5 sccm cm-2的燃料流量利于维持较高的燃料利用率和输出功率,改善重整吸热导致的不均匀温度分布,5单元电堆在3～4 V电压下处于热中性和轻微放热状态,温度梯度和热应力最小。

关键词： 煤自燃   孔隙结构   自燃特性   同步热分析   低场核磁共振  

摘要： 本文为探究不同变质程度的煤样的孔隙结构以及煤样的自燃特性的变化规律,共选取了内蒙古呼伦贝尔市灵泉煤矿褐煤、宁夏灵武市梅花井煤矿不粘煤、宁夏灵武市任家庄煤矿气煤、山西省霍州市辛置煤矿1/3焦煤、辽宁省沈阳市红阳二矿瘦煤以及宁夏石嘴山市白芨沟煤矿无烟煤6种煤样,采用低温液氮吸附实验以及低场核磁共振实验,研究不同变质程度煤的孔隙结构基本特征、孔比表面积、孔容积的变化规律,以及不同尺度的孔隙结构的比表面积与孔容积的比重随变质程度的加深的变化规律,且引入Frenkel-Halsey-Hill分形维数计算模型分析煤样的孔隙结构的复杂程度;其次通过TG-DSC同步热分析实验得出煤样的TG曲线与DSC曲线,并对曲线进行分析得出自燃特征温度点,进而划分煤自燃阶段探究煤样的失重特性、放热特性,并借助Coats-Redfren动力学方程,得出煤自燃过程中各阶段的活化能随着变质程度加深的变化规律;基于上述煤样的孔隙结构以及煤自燃特性的探究结果,研究孔隙结构的变化对煤样的自燃难易程度的影响。结果表明:煤样均含有一定的较差连通性的孔隙结构,且随变质程度的加深,连通性差的孔隙结构的比重逐渐增大,其中气煤中存在较多的“墨水瓶”型孔隙,焦煤与瘦煤中存在大量的半封闭型孔,而无烟煤中存在大量的狭窄缝隙孔;且煤样孔隙结构的总比表面积以及总孔容积随变质程度加深而逐渐降低,其中微孔的比表面积比重较大、小孔次之而大孔的比重最低;大孔的孔容积比重略大于小孔以及微孔范围内的孔容积比重。且随变质程度加深,煤样中微孔的比表面积以及孔容积的比重逐渐增加,小孔、大孔的相对比重逐渐减小,与煤样低场核磁共振实验结果相同,且煤样孔隙结构的分形维数计算结果表明,煤样孔隙结构呈现出分形特征,且整体分形维数随变质程度加深而降低。低变质程度煤（<4.5nm）的孔隙结构的分形维数要小于（>4.5nm）的孔隙结构的分形维数;而焦煤、瘦煤以及无烟煤高变质程度煤（<4.5nm）的孔隙结构的分形维数要大于（>4.5nm）的孔隙结构的分形维数,由此可知,煤样随着变质程度的逐渐加深,煤样的孔隙结构逐渐趋向于单一,微孔逐渐成为主导。在热重实验结果中,煤样的T临界温度呈现出随变质程度的加深而整体升高的趋势;而煤样中的T干裂温度以及T活性温度则随变质程度的逐渐加深而呈现减小的趋势;T燃烧温度、T燃尽温度则随变质程度的加深而逐渐升高,且蒸发脱附阶段中煤的失重量随着变质程度的加深而减小;增重阶段中煤样的增重量随着变质程度的加深整体呈现增加的趋势;对于煤样的放热特性而言,蒸发脱附阶段的放热量为最小,增重阶段的放热量居中而燃烧阶段的放热量为最大,并且随着变质程度的加深,煤样各阶段的放热量均呈现为逐渐增大的趋势;对于煤样各自燃阶段的活化能而言,蒸发脱附阶段的活化能为最小,增重阶段的活化能居中,而燃烧阶段的活化能为最大,同时煤样的各阶段的活化能均随变质程度的加深而逐渐增大,说明煤样变质程度越高,其越难以自燃。煤样的孔隙结构的总比表面积、总孔容积以及孔隙结构的复杂度均与煤样自燃反应的活化能呈现负相关性,并且孔比表面积对煤自燃过程中的增重阶段的影响较大,而煤样的孔容积的变化以及孔隙结构的复杂度对煤样自燃过程中的蒸发脱附阶段影响较大。

关键词： 两相流   孔隙尺度   驱替模式   惯性效应   无序度  

摘要： CO2地质封存与利用是应对全球性气候变化问题的重要技术之一,CO2安全地质封存过程中的关键在于超临界CO2与水的两相渗透流动机理。然而目前对超临界CO2渗透流动机理的研究尚未完全阐明。本文以真实多孔介质结构为研究对象,以两相流驱替模式及其物理机制为核心问题,基于数值模拟中的相场法（Phase Field Method,PFM）,深入开展了超临界CO2-盐水在渗透过程中改变注入速度及孔隙结构所导致驱替模式及流态转变的研究。 本文的主要研究成果如下: （1）对模型收敛性、网格收敛性、迁移率调整参数及多孔介质表征单元体（Representative Elementary Volume,REV）进行了验证,确保数值模拟最佳方案的选取。针对相对渗透率进行数值计算,与解析解得到的结果相比,其最大误差不到1%,二者具有高度一致性,证明了基于相场法进行数值模拟的准确性。 （2）建立一系列不同Ca条件下的孔隙尺度两相流数值模型,深入了解速度效应导致流体驱替模式转变机理,提出不同驱替模式背后所遵循的最小压降驱替路径原则:在毛细指进状态下,黏滞力可以忽略不计,入侵相不断选择毛细阻力最小的孔喉进行驱替,以保证其遵循最小毛细压降驱替路径。在黏性指进状态下,系统优先遵循具有最小黏性压降的路径,此时被驱替相被系统滞留。同时,阐明两相流系统中惯性效应,在高Re数下,为了最大限度的降低惯性效应所产生的黏性耗散,系统会在主驱替路径之外形成许多次级流动路径。 （3）采用随机函数建立一系列孔隙尺度无序模型,对压降特征、能量耗散及界面动力学进行研究,结果表明毛细指进状态下孔隙无序对于流态影响最为显著。此时入侵相遵循最小毛细压降驱替路径原则,而孔隙无序会改变介质中的毛细阻力,导致系统在保证潜在驱替界面的毛细阻力最小的前提下,只能选择引入更曲折的流动路径,这种路径偏差会导致不同孔隙无序下的流态差异。同时,随着无序的增加,两相界面反转动力学会受到影响,从而使局部孔喉发生海恩斯跳跃事件时的黏性耗散率产生差异。

关键词： 耦合传热   泡沫材料   结构优化   孔尺度   热辐射  

摘要： 多孔泡沫是一种包含有一定数量相互贯通或者封闭孔洞的三维网络结构材料,其比表面积巨大且孔隙发达,可以高效强化热交换性能及流体流动混合,是一类换热能力和混合流体能力强大的功能材料,已被广泛应用于能源动力、化工和航空航天等技术领域。目前,对泡沫材料内多模式耦合传热的研究多采用连续尺度方法,仍欠缺在孔隙尺度下进行耦合传热特性分析的高效方法,且尚无从传热和流动特性需求出发,反向设计泡沫骨架结构的方法,制约了这类材料的应用技术发展。 本文针对泡沫材料的孔隙尺度耦合传热及结构优化问题,开展孔隙尺度导热-对流-辐射耦合传热数值建模与机理分析、高温有效热导率/辐射热导率参数预测、流动和传热方面的结构优化等研究,主要内容包含: 针对辐射传输计算的蒙特卡罗方法在用于泡沫复杂结构计算存在计算量大、所需内存大的缺点,研究了高效适用的蒙特卡罗辐射传输计算方法,通过引入逐网格光线跟踪策略来加速光线跟踪,引入网格融合策略来降低计算内存的占用。基于开源有限体积计算流体力学类库Open FOAM,编制了辐射传输求解计算模块。结合已有文献中针对复杂几何形状的辐射传输求解结果,验证了计算模块的可靠性,并分析了本文提出的逐网格光线跟踪策略和网格融合策略对计算时间和内存占用的改善。 针对泡沫材料的μ-CT扫描结构获取费用昂贵、孔隙率变化范围小的缺点,本文对原始μ-CT扫描结构的网格进行变形操作,得到其他孔隙率的μ-CT扫描结构,针对周期人工结构泡沫存在贯穿问题,采用随机镂空腐蚀元胞模型进行结构重建。在上述研究基础上,针对基材不透明金属镍和半透明氧化铝两类泡沫材料,在几何光学假设下,建立泡沫材料内的辐射-导热耦合传热数值模型。基于人工μ-CT扫描结构,分析了镍泡沫高温辐射-导热耦合传热特性,并预测了在其800～1100 K范围内的有效热导率和辐射热导率。基于人工镂空腐蚀结构,分析了氧化铝泡沫高温辐射-导热耦合传热特性,并预测了其在1400～2000 K的有效热导率和辐射热导率。 为了改善泡沫材料的传热和流动性能,引入了伴随优化方法。基于伴随方法理论,分别推导了连续伴随和离散伴随优化方法的控制方程、边界条件,并介绍了两种伴随方法的实现细节。采用连续伴随方法,以周期圆孔泡沫材料内的流动为正问题,以最小化流动压降为反问题,优化了该种泡沫的孔形状。采用离散伴随方法,以随机泡沫材料内的导热-对流耦合传热为正问题,以最小化流动压降/最大化传热为反问题,优化了泡沫骨架的几何结构。 结合泡沫材料的孔隙尺度耦合传热模型,建立了包含外部入射太阳光的泡沫太阳能吸热芯内的光-热-流输运模型。采用网格变形方法,设计了一种梯度泡沫吸热芯骨架结构,分析了该种吸热芯的流动和传热特性,并采用伴随优化方法对梯度吸热芯泡沫的骨架结构进行了优化以改善流动压降,对比了优化前后的流动和传热特性。搭建了管内泡沫材料的流动实验装置,采用3D打印技术生产制造了设计的泡沫吸热芯,并以数值模拟结果和圆管内泡沫吸热芯的流动实验数据检验了所设计吸热芯的流动压降性能。

关键词： 接触角   颗粒级配   吸水过程   脱水过程   滞后效应  

摘要： 地下水作为一种重要水资源备受人们关注,地下水的污染问题体现在日常生活的方方面面,非饱和带作为污染物进入地下水的主要通道,农业和工程问题重点关注对象,具有重要的研究意义。两相流方法作为研究两相不相溶液体和非饱和等问题的工具受到国内外研究者的广泛关注,然而国内外学者对两相流的研究关注点多集中于油藏方面。本文采用有限元方法对两相渗流进行模拟,通过二维孔隙尺度非饱和土体水分运移模拟研究不同静态接触角和不同颗粒级配情况下吸水过程和脱水过程的特征变化。本文主要得出以下结论:(1)接触角随水分运移过程发生改变,静态接触角越大,接触角变化范围越小。土体的持水能力与接触角的大小有关,吸水过程模拟当中,静态接触角为120°或30°均具有较强的持水能力,土壤水分特征拟合曲线中残余含水率更大;在脱水过程模拟中孔隙部分水相被包裹并滞留在孔隙内,静态接触角为60°的土体中水相更易聚拢成团被滞留在孔隙当中,持水能力更强。静态接触角为60°吸水过程动态接触角最小值66.22°等于脱水过程动态接触角最大值66.22°,静态接触角为30°吸水过程动态接触角的最小值44.66°大于脱水过程动态接触角的最大值41.48°,吸水过程接触角>脱水过程接触角。通过微观接触角特征对比分析,同一情境下,接触角越大的土体脱水过程负压值越小,接触角越小脱水耗时越长。通过吸水过程模拟对比,静态接触角为60°水分运移过程三相较为稳定。(2)吸水过程模拟过程,不良级配土体水相饱和程度更高,具有更强持水能力。分析三种颗粒级配脱水过程土壤水分特征曲线,得出等粒径土体的水分特征拟合曲线更平缓,土体更不易脱水。良好级配吸水曲线和脱水曲线之间的最大宽度值为三种级配中最高,达到0.2554,表明良好级配的土体水分滞后作用越显著。两个主要影响滞后效应因素中“墨水瓶”效应的影响比接触角的影响显著。比较良好级配和不良级配土体,颗粒粒径越不均匀孔隙分布越不规则,“墨水瓶”效应越明显。但由等粒径土体干湿模拟拟合曲线结果可得,通过颗粒粒径均匀程度考虑孔隙分布的均匀与否进而推断“墨水瓶”效应是否明显还需结合土体颗粒粒径分布、颗粒位置分布等因素判断。(3)吸水过程气相被水相驱替可以通过孔隙通道,而脱水过程气相驱替水相的过程,气相难以通过孔隙通道,致使水相不能从孔隙通道中排出,水相以毛管滞留水形式存在于孔隙通道当中。随着干湿过程次数增多,脱水过程后期水分滞后现象越明显,气相驱替孔隙通道的水相难度增加,更利于孔隙通道保留水分。

关键词： 塔里木盆地   肖尔布拉克组   白云岩储层   孔隙结构定量表征   弹渗属性   岩石物理建模  

摘要： 随着中浅层油气资源勘探开发程度的不断提高,向深层-超深层进军是我国未来油气勘探的重要趋势,同时也是解决中国能源短缺的关键。塔里木盆地下寒武统肖尔布拉克组白云岩储层是盐下深层-超深层勘探重要区域,然而由于具有年代古老、埋藏深和经历多期成岩叠加改造的特点,加之沉积环境、成岩作用、温度压力等方面的影响,导致储层发育多尺度孔隙结构、非均质性极强。因此基于多种技术手段对肖尔布拉克组白云岩储层发育多尺度、多种类型孔隙结构进行定量表征和弹渗属性研究不仅有助于塔里木盆地深层超深层油气勘探,而且对全球深层超深层油气勘探同样具有重要的指示意义。研究取得的主要成果和认识如下:1、基于薄片鉴定、扫描电镜研究发现研究区发育13种微相类型,8种孔隙类型,其中残余颗粒细晶白云岩和细晶白云岩具有较好的物性特征,溶蚀孔洞是主要的储集空间。2、针对塔里木盆地肖尔布拉克组白云岩储层发育多尺度孔隙结构的特征,采用多种互补的实验技术手段对纳米级到厘米级孔隙进行了定量表征。(1)通过铸体薄片提取的孔隙结构参数建立了渗透率预测模型,预测模型相关系数为0.78。高压压汞结果显示,井下样品孔隙结构发育与野外样品存在明显的差异,井下样品明显存在两个高峰分别为纳米级以及微米级的孔隙,野外样品微米级孔隙是主要的储集空间;(2)白云岩孔隙结构在代表性单元体与自相似区间存在明显的尺度效应。通过医用CT扫描确定了毫米-微米孔洞型白云岩储层代表性单元体大小并且基于多种孔隙结构参数建立了代表性单元体预测模型。基于微米CT扫描确定了发育微米级孔隙代表性单元体大小,研究发现孔隙尺度、属性不同,样品的代表性单元体存在很大差异;(3)基于分形理论与孔隙直径累计分布曲线确定了样品的自相似区间;(4)以代表性单元体分析与分形理论确定自相似区间为桥梁,建立医用CT数据和高压压汞数据融合新方法,获取了孔洞型白云岩储层全尺度孔径分布及样品的总孔隙度。3、基于微米CT扫描重构的三维数字岩心,通过对其数值模拟计算得到的弹渗参数是储层定量描述的关键。(1)通过有限元方法数值模拟获取了弹性参数,纵横波模拟结果与孔隙结构参数分析发现孔隙纵横比与孔隙度是影响纵横波速度的主要因素。(2)使用孔隙网络模型法和格子玻尔兹曼法对数字岩心渗透进行了模拟,基于格子玻尔兹曼渗透率模拟结果更能反映真实样品的渗流特征。4、岩石物理建模建立了储层微观物性特征和宏观弹性性质之间的桥梁,建立的岩石物理理论模型可以作为获取孔隙结构参数的有效工具。通过多尺度孔隙结构参数的确定以及实验数据的验证,建立了基于临界孔隙多尺度岩石物理模型。为了模拟深层储层弹性参数的变化,在临界孔隙多尺度岩石物理模型模型基础上,添加了压力,建立了基于临界孔隙多尺度高压岩石物理模型。通过建立的岩石物理理论模型反演得到了孔隙结构参数,对进一步分析评价储层有着十分重要的作用。

关键词： 反渗透膜   渗透性能   格子Boltzmann方法   纳米尺度效应   特征因子  

摘要： 目前反渗透海水淡化技术发展迅速,装机容量和处理能力持续增加,然而成本问题一直制约着海水淡化行业的发展。反渗透膜是海水淡化系统的核心部件,围绕膜渗透特性的研究,大部分集中在制膜工艺和膜改性等领域,如何降低跨膜反渗透形成的浓差极化及提高产水量仍然是一个重要课题。另外,水在反渗透膜内的流动受到纳米尺度效应的影响,膜的渗透特性不能完全用其微观结构来解释。因此,建立多尺度跨膜反渗透特性的计算及分析方法、研究反渗透(Reverse Osmosis,RO)膜内的动力学特性、掌握产水量、脱盐率及推动压差之间的关联对工业海水淡化发展具有重要意义。格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)作为一种基于统计物理学的介观数值方法,因其天然的并行性、边界条件易处理等优势广泛应用于承压水流流动模拟。为此,本文通过实验和数值模拟对反渗透膜的渗透特性及其影响因素做了系统研究,主要内容如下:首先,通过跨膜渗流实验平台对反渗透膜的渗透性能进行了测试,研究了不同驱动压力下纯水和盐水的跨膜反渗透特性、离子强度对反渗透水通量及脱盐性的影响以及盐离子种类跨膜反渗透的差异性。研究发现:(1)反渗透膜的渗透率不因压力而改变,但因盐溶液浓度和种类而异,这主要是因为浓差极化层产生的对流扩散过程的阻力不同,当盐度从0升至35时,透水性损失高达86%;(2)与水通量不同的是,截留率几乎不受浓差极化的影响,基本维持在97%,这主要与反渗透膜致密的分离层以及扫描电镜表征下膜表面的峰-谷结构有关;(3)增加磁力搅拌能削弱浓差极化层,从而在保持高截留率的同时提高跨膜反渗透的水通量,盐度为35时水通量约提升7.2%。然后,构建了单层反渗透膜的物理模型,并对通道流动的数值方法进行了验证,基于格子Boltzmann方法数值地研究了纳米尺度效应对反渗透膜渗透性的影响,对比分析了水在不同亲疏水材料反渗透膜内的流动差异。结果表明:(1)流固接触角是影响反渗透膜渗透性能的重要因素,孔隙度为0.436和0.594的膜结构,接触角120°相较于30°水流平均速度分别增加了3.57倍和2.75倍;(2)膜渗透率随接触角增加呈指数增长,在极疏水的情况下,相比不考虑纳米尺度效应时其水通量提高了5倍,纳米尺度效应对渗透率的贡献占比高达96%;(3)纳米尺度效应随孔径的增大而减弱,疏水时膜内大孔隙和小孔隙的相对流动能力更加接近,这也是为什么传统哈根-泊肃叶方程不能用于描述反渗透膜水流规律的原因。最后,基于真实的梯度膜结构构建了梯度反渗透膜的物理模型,结合前一章节的纳米孔尺度流动特征分析了反渗透膜的渗透性与其微结构的关联。结果发现:(1)梯度膜在一定条件下能够提高膜的水通量,从结构上来讲是因为多孔亚层更大的孔隙度或者更小的比表面,多孔亚层比表面从0.24nm减小到0.11nm,疏水膜渗透率上升了2.22m D,亲水膜渗透率上升了1.79m D,多孔亚层孔隙度从0.425增加到0.612,亲水膜渗透率增加了0.7 m D,疏水膜渗透率增加了1.12 m D;(2)可以在不牺牲水通量的前提下通过提高多孔亚层的孔隙度来增加膜的厚度,这将使得厚膜拥有良好渗透性同时表现出更好的机械强度;(3)膜的结构可以用一个特征因子γ来表征,γ越小,膜的渗透率越大,γ从2.14减小到1.51时,亲水膜和疏水膜的渗透率分别增加了22%和31%,膜的渗透率对膜骨架的疏水性更加敏感。本文从实验和模拟分别揭示了影响跨膜反渗透流动的外因和造成反渗透水力特性差异性的内因,提出了提高跨膜反渗透水通量的方法,为开发高性能的反渗透膜提供了新的结构---渗透性见解,有助于降低工业淡化水成本。

关键词： 质子交换膜燃料电池   多孔介质   格子玻尔兹曼方法   多相反应流   相变传热  

摘要： 质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)被认为是极具潜力的绿色能源转换系统。然而,PEMFC在低温环境下的适应性难题是制约其规模化应用的瓶颈之一。PEMFC内微纳多孔介质作为实现能质运移、转化、存储的核心场所,其内部多相反应流与相变传热机理是影响燃料电池在低温下稳定可靠运行的关键内因。由于PEMFC内微纳尺度多孔介质有着更复杂的微纳结构,其多孔骨架内孔隙流动和固液相变机理的研究尚不充分,亟需构建涉及电化学反应-多相流动-相变传热-组分输运等多物理场耦合的数值计算模型,以揭示各个因素相互作用的影响规律。本文主要按照燃料电池实际低温启动过程中多孔介质内的冻结、融化和多相反应流动的顺序进行研究。在本文中,首先揭示了温度诱导微纳多孔介质内的相变传热过程,探明了相界面前沿的非均匀性产生和演化机理,提出了冻融率与傅里叶数关联式;而后基于相变传热模型,考虑电化学、相变传热和多相流动等多场耦合作用,揭示了低温环境下微纳多孔介质内多相反应流动机理。为最终突破低温环境中燃料电池适应性差、可靠性差和性能衰减等技术瓶颈奠定理论基础,同时促进了多孔介质内多相流动与相变传热理论的创新与发展。 具体的研究内容与结论如下: (1)建立了气体扩散层(Gas Diffusion Layer,GDL)多孔骨架内部液态水冻结模型,基于液滴撞击和比例放大GDL冻结实验验证,探明了相界面前沿的非均匀性产生和演化机理,探究了初始温度、冷却温度和孔隙率对多孔骨架内部液态水冻结的影响,提出了冻结率关于傅里叶数关联式。结果表明,在冻结过程中,低温一方面由外向内的传导,另一方面从碳纤维向液体内传导,这两种作用下使液态水温度下降。在冻结初期,由于碳纤维的强化传热作用,使得碳纤维附近的液态水先发生冻结。在冻结后期,由于低温导致了液态水部分区域产生了温差,热对流作用使得部分液态水温度保持平稳,初始温度的提高延缓了GDL内部液态水的冻结。随着冷却温度的增大,冻结所需要的时间迅速增大。孔隙率的增大导致GDL中心的相对温度下降。随着纤维直径的增大,冻结率整体呈现上升的趋势。当冷却温度为233 K时,GDL内部液态水全部冻结所需要的傅里叶数最小,其值为0.0175。 (2)建立了催化层(Catalytic Layer,CL)气态水凝华孔尺度模型,揭示了内部结霜行为,分析了初始温度、释放气态水粒子数、碳载体直径、碳载体体积分数等因素对气态水凝华过程的影响。结果表明,在催化层凝华过程中,气态水粒子很容易在碳载体分布稀疏的区域聚集形成霜晶。随着低温逐渐传导至催化层,冰晶逐渐向催化层内的通道移动,霜层逐渐变厚。当冷却温度为233 K时,霜层突破催化层所需的傅里叶数最小,为0.96。随着释放粒子数量的增加,厚度不会明显增加,但霜层宽度会增加,使得平面部分的霜层更加均匀。当释放粒子数为100时,霜层突破催化层所需的傅里叶数最小,为1.08。碳载体直径与最终到达冷表面的粒子数量有关,当碳载体体积分数为0.25时,霜层突破催化层所需傅里叶数最小,为0.96。 (3)建立了GDL融冰孔尺度模型,明晰内部固-液两相界面演化的时空尺度过程,探究了初始温度、加热温度和孔隙率对GDL融冰率的影响,提出了融冰率和傅里叶数关联式。结果表明,在GDL融冰过程中的热传导过程初期,由于碳纤维的热扩散率较大,碳纤维的温度显著高于固态冰的温度。当冰完全融化后,由于温差导致液态水内部产生热对流,进一步导致液态水的温度升高。随着初始温度的升高,GDL内热传导速度逐步加大,高温区域面积逐步增加,GDL中心温度逐步升高。当初始温度为253 K、傅里叶数为0.1时,融化率最大,为0.8。加热温度的提高会加快固液界面的移动。同时,加热温度的提高也会显著加剧固液界面的不均匀度。当加热温度为363 K、傅里叶数为0.1时,融化率最大,为0.63。孔隙率的增加使得固液界面的移动速度呈现上升的趋势。随着纤维直径的增大,固液界面表面变得越来越平滑。当孔隙率为0.8、傅里叶数为0.1时,融化率最大,为0.61。仿真数据与所提表达式吻合较好。 (4)建立了低温环境下GDL内多相反应流孔隙尺度模型,揭示了低温环境下气体扩散层内多相反应流动特性,研究了微孔层入口孔隙参数、多孔骨架参数和初始冰滴的影响。结果表明,在气体扩散层多相反应流动过程中,当液态水从底部逐渐渗透到GDL时,底部的氧浓度迅速下降,导致电化学性能下降。随着氧气逐渐渗透GDL底部,由于电化学反应产热,底部温度逐渐升高。进入GDL的水会逐渐向GDL通道内运动,并逐渐填充孔隙区域。这是由微孔层孔隙中向上的速度和毛细压力共同造成的结果。增加孔隙宽度会导致GDL中液态水体积的增加,从而使得更多的液态水积聚在GDL内部,导致电化学性能下降